12. Vorlesung WS 2006/07 Softwarewerkzeuge 1 V12 Stochastische Simulation zellulärer Signalprozesse Traditionelle numerische Ansätze für chemische/biochemische Kinetik: (a) beginne mit einem Satz von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen (für die Reaktionsraten), die die zeitliche Entwicklung der Konzentrationen der beteiligten chemischen Stoffe angeben, (b) verwende einen geeigneten Integrationsalgorithmus um, basierend auf den Ratenkonstanten und einem Satz von Anfangsbedingungen, die Konzentrationen als Funktion der Zeit zu berechnen Erfolgreiche Anwendungen : für den Hefe Zellzyklus, metabolic engineering, Modelle der gesamten metabolischen Pfade (E- cell), ... Großes Problem: zelluläre Prozesse laufen in sehr kleinen Volumina ab und es ist oft nur eine sehr kleine Anzahl an Molekülen beteiligt.
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge1 V12 Stochastische
Simulation zellulrer Signalprozesse Traditionelle numerische Anstze
fr chemische/biochemische Kinetik: (a) beginne mit einem Satz von
gekoppelten gewhnlichen Differentialgleichungen (fr die
Reaktionsraten), die die zeitliche Entwicklung der Konzentrationen
der beteiligten chemischen Stoffe angeben, (b) verwende einen
geeigneten Integrationsalgorithmus um, basierend auf den
Ratenkonstanten und einem Satz von Anfangsbedingungen, die
Konzentrationen als Funktion der Zeit zu berechnen Erfolgreiche
Anwendungen : fr den Hefe Zellzyklus, metabolic engineering,
Modelle der gesamten metabolischen Pfade (E-cell),... Groes
Problem: zellulre Prozesse laufen in sehr kleinen Volumina ab und
es ist oft nur eine sehr kleine Anzahl an Moleklen beteiligt. z.B.
Interagieren bei der Genexpression einige wenige
Transkriptionsfaktor- molekle mit einer einzigen
Gen-regulatorischen Region. E.coli Zellen enthalten nur etwa 10
Molekle des Lac Repressors.
Folie 2
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge2 bercksichtige
stochastische Effekte (Konsequenz1) die Modellierung der Reaktionen
als kontinuierliche Flsse von Substanzen ist nicht mehr korrekt.
(Konsequenz2) Es knnen erhebliche stochastische Fluktuationen
auftreten. Fr die Untersuchung der stochastischen Effekte bei
biochemischen Reaktionen werden stochastische Beschreibungen der
chemischen Kinetik sowie Monte Carlo Computersimulationen benutzt.
Daniel Gillespie (J Comput Phys 22, 403 (1976); J Chem Phys 81,
2340 (1977)) introduced the exact Dynamic Monte Carlo (DMC) method
that connects the traditional chemical kinetics and stochastic
approaches. Assuming that the system is well mixed, the rate
constants appearing in these two methods are related.
Folie 3
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge3 Dynamic Monte Carlo
In the usual implementation of DMC for kinetic simulations, each
reaction is considered as an event and each event has an associated
probability of occurring. The probability P(E i ) that a certain
chemical reaction E i takes place in a given time interval t is
proportional to an effective rate constant k and to the number of
chemical species that can take part in that event. E.g. the
probability of the first-order reaction X Y + Z would be k 1 N x
with N x :number of species X, and k 1 : rate constant of the
reaction Similarly, the probability of the reverse second-order
reaction Y + Z X would be k 2 N Y N Z. Resat et al., J.Phys.Chem. B
105, 11026 (2001)
Folie 4
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge4 Dynamic Monte Carlo
As the method is a probabilistic approach based on events,
reactions included in the DMC simulations do not have to be solely
chemical reactions. Any process that can be associated with a
probability can be included as an event in the DMC simulations.
E.g. a substrate attaching to a solid surface can initiate a series
of chemical reactions. One can split the modelling into the
physical events of substrate arrival, of attaching the substrate,
followed by the chemical reaction steps. Resat et al., J.Phys.Chem.
B 105, 11026 (2001)
Folie 5
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge5 Basic outline of the
direct method of Gillespie (Step i) generate a list of the
components/species and define the initial distribution at time t =
0. (Step ii) generate a list of possible events E i (chemical
reactions as well as physical processes). (Step iii) using the
current component/species distribution, prepare a probability table
P(E i ) of all the events that can take place. Compute the total
probability P(E i ) : probability of event E i. (Step iv) Pick two
random numbers r 1 and r 2 [0...1] to decide which event E will
occur next and the amount of time by which E occurs later since the
most recent event. Resat et al., J.Phys.Chem. B 105, 11026
(2001)
Folie 6
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge6 Basic outline of the
direct method of Gillespie Using the random number r 1 and the
probability table, the event E is determined by finding the event
that satisfies the relation Resat et al., J.Phys.Chem. B 105, 11026
(2001) The second random number r 2 is used to obtain the amount of
time between the reactions As the total probability of the events
changes in time, the time step between occurring steps varies.
Steps (iii) and (iv) are repeated at each step of the simulation.
The necessary number of runs depends on the inherent noise of the
system and on the desired statistical accuracy.
Folie 7
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge7 Bacterial
Photosynthesis 101 Photons Light Harvesting Complexes light energy
electronic excitation Reaction Center e H + pairs ATPase chemical
energy cytochrome bc 1 complex H + gradient; transmembrane
potential ubiquinon cytochrome c 2 electron carriers outside
inside
Folie 8
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge8 Modelling as
metabolic network Chemical reactions involved:
Folie 9
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge9 Photosynthesis cycle
view light energy electronic excitation e H + pairs chemical energy
H + gradient, transmembrane voltage outside inside The conversion
chain: stoichiometries must match turnovers! electrons 2 cycles:
protons
Folie 10
12. Vorlesung WS 2006/07Softwarewerkzeuge10 LH1 / LH2 / RC im
Lehrbuch Photonen einfangen Hu et al, 1998 B800, B850, Car. LH2: 8
Dimere LH1: 16 Dimere downhill Transport der Exzitonen LH2 LH1
RC